指南针的简史（指南针进化史）

生活中，我们不管是步行还是驾车出行时，常常需要辨别方向。我们现在已经有了GPS导航定位系统了，从此，妈妈再也不用担心我迷路了。所以我们把指南针——这个开启人类文明之旅、探索未知世界的工具却渐渐遗忘了。现在我们的日常生活中似乎很少用到它了，但是世界这么大，你也想去看看吧！那么，指南针便是你外出旅行必备利器，因为高科技在关键时刻也有可能失灵呢！现在，同我一起走近史上指南针的世界，去了解指南针进化史吧！

进化简史

战国时期，人们发明了指南针的前身——司南；

晋、南北朝时期，将司南的勺状磁石改为磁针；

唐代末期，人们在司南的基础上发明了水罗盘；

北宋时期，出现了指南鱼；

南宋时期，出现了旱罗盘；

元代时，水罗盘和旱罗盘传入了西方；

明后期、清初时期，西方改造后的旱罗盘传入中国，出现了中西合璧式旱罗盘。

司南——指南针的前身

大家听说过司南吗？它便是指南针的前身，它出现在距今2000多年的战国时期，而在汉代得到进一步发展。要使司南得以发明，首先需要发现磁石以及磁石的指极性，在战国时的史书中就有记载磁石可以吸铁的，后来人们也发现了磁石的指极性，并由此原理制成了司南。司南看上去是一个方盘，方盘上标有方位。中间放一勺状磁石，拨动磁勺，让其自由旋转后静止下来，勺柄所指的方向就是南方。利用磁石指极性发明的司南，从战国一直到南北朝还在不断应用和发展。

汉代司南的新复原图，潘吉星复原（2002）

司南的改进

但是以天然磁石制成的司南，由于磁勺是琢磨而成的，这样一来磁勺的磁性有所减弱。同时磁勺与方盘之间还存在着摩擦力，所以司南的灵敏性不够。而且磁勺也不会固定在盘心，每次使用的时候都需要手动拨动磁勺，让其转动，然后定向。这样的方法在颠簸状态下使用起来不太方便，甚至没办法定向了。

到了晋、南北朝时期，人们注意到了磁石可以吸引铁针，并且也可以使铁针磁化，他们便试图将司南的勺状天然磁石改为磁针，这样便实现了磁体在材料和形态上的改进。司南原来是方形地盘，当其勺状磁石改为磁针时，圆形地盘便取代了方形地盘，这样更加适合磁针的指向需要。

但是磁针直接放在地盘上时是不能自由旋转的，所以如果要用磁针来代替勺状磁石，那么还是需要考虑怎样使磁针在地盘中心自由旋转，使其定向。古人们也想出了多种方法去解决这个问题

第一种方法：悬针法。将磁针用细线于无风的地方悬在地盘上，让其自由旋转，然后定向。人们发现这种方法是可行的，但是容易受风的影响，会不停摆动，也还是不能在颠簸状态下使用。人们把磁针改造成蝌蚪形或者鱼形薄片。这种方法在晋朝和南北朝时确实用过。

第二种方法：浮针法。将司南的中心圆做得凹下去，里面盛满水，然后让小磁针浮在上面，使其定位。正如我国科技史研究学者潘吉星教授的论断，这种方法解决了磁针在地盘上的投放问题，这是对司南革命性的改进。按照这种方法制造的指南装置其实在北宋的文献中也有所记载，也就是水罗盘的原理，但是其实在唐代时已经出现这种指南装置了。

第三种方法：支轴法。将磁针利用枢轴支撑起来，让其自由旋转，从而可以定向。这是宋朝时才出现的方法。

指南针的发明及进化

到了唐代末期，出现了风水学上用的水罗盘，但是其构造和早期的司南很不一样，主要由可转动的磁针和刻度盘组成，所以可以算得上是一项发明。而且在唐代时人们就已经发现了磁偏角，也就是磁针静止时，磁针并不是指向地球的地理北极，而是与真正的地球北极有一定的夹角，这个角就是磁偏角。

到了北宋时，北宋大臣曾公亮描述了一种指南鱼的做法。用鱼形的人工磁体代替了指南鱼，其做法是将薄铁片做成鱼形，将鱼首和鱼尾都做得尖尖的，然后将其加热到很高的温度。取出后将其按照南北磁极朝向放置，使鱼头向南，鱼尾向北，马上放入冷水中，这样铁片便成了磁体。然后将这条磁鱼放在水碗状容器里面，便可使其指示方向。

《武经总要》载水罗盘“指南鱼”复原图，潘吉星复原（2001）

北宋海陆旅行时，人们用的就是水罗盘，它有两种形式，只是磁体磁化方式的不同，一种是曾公亮描述的方法，一种则是将铁针与磁石摩擦的方法。这两种形式的指南针在北宋得到广泛使用，并且也传到了国外。水罗盘一直沿用到了明清时代。而在北宋时，将指南针用于航海方面的记录也多了起来，所以中国比西方使用航海罗盘早100多年的历史[1]。

《梦溪笔谈》所载水浮指南针复原图，潘吉星复原（2001）

南宋时人们也会使用一种旱罗盘，原理就是将磁针用铜钉支撑在上面，使其自由旋转定向。因为无须用水，所以叫做旱罗盘。但旱罗盘的起源其实应该追溯到两宋之际。所以宋代指南针有水罗盘、旱罗盘两种形式，水罗盘制造简便，磁体有针状磁体和鱼形状磁体两种，但是它们定向不稳，容易漂浮。旱罗盘制造较为精细，一律是用磁针的，它们定向也比较稳定。

南宋旱罗盘复原图，潘吉星复原（2001）

指南针传入西方

到了元代，中国的水罗盘、旱罗盘传入西方，西方人对旱罗盘进行了改造。明清时代，用的水罗盘较多，磁体多为针状。清初以后，因为西方改造后的旱罗盘也进入了中国，所以中西方制造指南针的技术进行了相互融合，出现了中西合璧式旱罗盘，这种旱罗盘由于使用方便并且灵敏，便流行起来。而这种旱罗盘和现代罗盘仪比起来也相差无己了。

指南针开启探索之旅

有了指南针后，人类探索未知世界的愿望便得以实现了。北宋时，将指南针用于航海的记载便多了起来，宋元时期都有许多的航海记录，到了明代就出现了我们所熟悉的郑和下西洋的故事，才出现了后面的哥伦布发现美洲新大陆、麦哲伦环球旅行的故事。

我们还要接着聊一下郑和下西洋的故事，因为这是中国航海事业上的一个伟大壮举，更是世界航海事业上的伟大壮举。郑和于1405年至1433年间先后统率由百余艘远洋帆船和27000多名船员和官兵组成的庞大船队七下西洋，足迹遍及亚非30余国，这是人类第一次大规模走向远洋的空前壮举[2]。他平均每4年要航海一次，而且每次航海往返还要约两年呢，他在28年里差不多有一半的时间都在航海中度过了。而且最近很有趣的一个新闻是，美国学者发现美洲新大陆居然是我们中国人发现的，而且这个中国人极有可能就是郑和，并且人家还有考古学证据呢！你相信吗？

按磁针指极性原理所做的指南针

现代指南针

到了现代社会，我们已经很少用到上面所说的磁针指极性原理所做的指南针了。就算是需要用到指南针，我们现在也多用电子指南针了。随着科学技术的发展，人们已经能够研制出结合了多种消除误差技术和抗干扰技术的电子指南针。电子指南针内部结构是固定的，没有动来动去的小磁针等可移动部件。而且它们可以简单地和其它电子系统接口，因此可代替旧的磁指南针。电子指南针具有较高的精度和较强的稳定性，所以它们也得到了广泛运用。

全球导航卫星系统

谈到现代社会的导航定位，不得不说一下我们文章开头说到的GPS系统（Global Positioning System的缩写），也就是全球卫星定位系统，它广泛应用于我们的生产生活中。生活中的车载定位系统、手机地图定位导航都会借助它，它与我们的生活可是紧密相关啊，甚至许多人去不熟悉的地方都要依赖导航定位系统了。

现在全球其实是有四大卫星定位系统，美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的伽利略卫星导航系统和我们中国的北斗系统。这里需要特别介绍一下我们中国的北斗系统。随着2003年第3颗“北斗导航试验卫星”的成功发射，它与前两颗“北斗一号”工作卫星组成了中国完整的卫星导航定位系统，标志着中国已建立了完善的第一代卫星导航定位系统。其定位精度20米，基本可以满足运输、渔业、林业、气象、电信、水利、测绘等行业以及大众用户的应用需求[3]。今年7月25日，我国又成功发射两颗北斗导航卫星，使北斗导航系统的卫星总数增加到了19枚[4]。

未来几年内全球导航卫星系统将进入新的阶段，四大卫星定位系统90余颗导航卫星并存，到那时候实时定位的精度达到1到5米也不再是件难事了[5]。

主要参考文献：

[1]潘吉星.中国古代四大发明：源流、外传及世界影响[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2002.

[2]夏劲.陈茜.中西两种科学文化背景下的郑和下西洋和地理大发现之比较[J]. 自然辩证法通讯,2006,28(4):13-18.

[3]侯瑞.张丽娟.浅谈北斗导航定位卫星系统的建设与应用[J].消费电子, 2014, (18):151.

[4]新京报.北斗导航系统卫星增至19枚，将试验全球组网[网络]，http://news.xinhuanet.com/info/2015-07/27/c_134449786.htm.

[5]陈俊勇.全球导航卫星系统进展及其对导航定位的改善[J].大地测量与地球动力学, 2009,29(2):1-3.

注：文章中关于指南针历史主要是在我国著名科学技术史专家潘吉星教授研究专著的基础上编写的，其中部分图片取自其专著《中国古代四大发明：源流、外传及世界影响》。

特别鸣谢：中国科学院自然科学史研究所研究员刘益东老师审稿

作者：王凯山 华东师范大学

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